卷状燃料电池制作工艺、设备及其产品制造技术

制作卷状燃料电池材料包括在燃料电池膜薄片的第一和第二表面上层叠第一和第二接合材料薄片，其中，所述第一和第二接合材料薄片具有分隔开的窗口。膜薄片的第一和第二活性区位于各个接合材料窗口内。分别在第一和第二膜薄片表面上的接合材料上层叠具有分隔开的窗口的第三和第四垫圈材料薄片。接合材料窗口与各个垫圈材料窗口对齐，从而，至少一些接合材料在各个垫圈材料窗口内延伸。在第一和第二活性区上分别层叠从第五和第六ＦＴＬ材料薄片切割的流体输送层（ＦＴＬ）材料部分。ＦＴＬ材料部分位于各个垫圈材料窗口内，并且与在各个垫圈材料窗口内延伸的接合材料接触。（*该技术在2024年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】卷状燃料电池制作工艺、设备及其产品
本专利技术一般涉及燃料电池，并更具体地涉及用于自动化制作卷状多层燃料电池组件和子组件的工艺和设备、以及它们生产的燃料电池产品。
技术介绍
已经开发各种设备和方法，从以薄片或卷状形式产生的部件生产燃料电池。常规的组装方法一般包括在分批操作中切割几个输入的薄片部件，形成这些材料的层板。接着使用各种机械和真空手段来处理单个材料，以便在燃料电池组装过程中正确地定位单个材料。尽管许多这样的工艺已经实现自动化，但这些方法一般包括通过复杂的、耗时的且通常昂贵的自动化设备来执行的大量处理、对准和对齐步骤。与常规燃料电池制造方法有关的处理步骤的数量和复杂性通常减少产量，这对自动化燃料电池组装线的生产率有负面影响。而且，许多常规燃料电池制作设备和方法不太适合高度自动化，尤其是那些具有严格位置公差要求的设备和工艺。需要改进的燃料电池制造设备、方法、以及从这些设备和方法生产的燃料电池组件。进一步需要可以在自动化组装环境中，如在自动化燃料电池组装工厂中，实现的设备、方法和燃料电池组件。本专利技术实现这些和其它的需求，并解决现有方法中的其它缺陷。
技术实现思路
本专利技术致力于改进的燃料电池制作工艺、设备及其产品。本专利技术进一步致力于卷状多层燃料电池组件和子组件的自动化制作，包括卷-->状的单元燃料电池组件。根据本专利技术的一个实施例，一种连续产生多层燃料电池材料薄片的方法包括：在包括燃料电池膜的薄片的第一和第二表面上层叠第一和第二薄片，其中，所述第一和第二薄片每一个都包括接合材料并具有分隔开的窗口。膜薄片的第一和第二活性区位于各个接合材料窗口内。所述方法进一步包括分别在布置于膜薄片第一和第二表面上的接合材料上层叠第三和第四薄片，其中，所述第三和第四薄片每一个都包括垫圈材料并具有分隔开的窗口。接合材料的窗口与垫圈材料的各个窗口对齐，从而，至少一些接合材料在各个垫圈材料窗口内延伸。所述方法还包括：在膜薄片的第一和第二活性区上分别层叠从包括FTL材料的第五和第六薄片切割的流体输送层(FTL)材料部分。FTL材料部分位于各个垫圈材料窗口内，并且与在各个垫圈材料窗口内延伸的接合材料接触。根据另一实施例，一种连续产生在一对流场板之间或在垫圈层之间并与之一起使用的多层燃料电池材料薄片的方法包括：切割包括接合材料的第一薄片，在第一薄片中产生分隔开的第一窗口。第一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点。切割包括接合材料的第二薄片，在第二薄片中产生分隔开的第二窗口。第二窗口还包括沿着第二窗口边缘设置的接合点。所述方法进一步包括：提供包括燃料电池膜的薄片，所述膜薄片具有布置在膜薄片的第一和第二表面上的活性区；在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内。在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内。所述方法还包括：在膜薄片第一和第二表面的活性区上分别层叠从包括FTL材料的第四和第五薄片切割的FTL材料部分。每个FTL材料部分分别与第一和第二窗口的接合点接触。-->根据又一实施例，一种连续产生多层燃料电池组件的方法包括：对膜材料薄片、第一接合薄片以及包括FTL材料的第一薄片进行处理，形成膜电极组件(MEA)薄片的第一表面。所述方法还包括：对膜材料薄片、第二接合薄片以及包括FTL材料的第二薄片进行处理，形成MEA薄片的第二表面。优选以第一和第二流场板薄片的形式提供第一和第二流场板。所述方法进一步包括：在各对第一和第二流场板之间包围MEA薄片的每一个MEA。根据另一实施例，一种连续产生多层燃料电池组件的方法包括：产生连续的MEA薄片。提供包括接合材料的第一薄片，所述第一薄片具有分隔开的第一窗口，其中，第一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点。提供包括接合材料的第二薄片，所述第二薄片具有分隔开的第二窗口。第二窗口包括沿着第二窗口边缘设置的接合点。还提供包括燃料电池膜的薄片，所述膜薄片具有分别布置在膜薄片的第一和第二表面上的活性区。所述方法还包括：在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内；并且，在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内。在膜薄片第一和第二表面的活性区上分别层叠从包括FTL材料的第四和第五薄片切割的FTL材料部分，其中，每个FTL材料部分分别与第一和第二窗口的接合点接触。所述方法进一步包括：提供第一流场板的连续薄片以及提供第二流场板的连续薄片。在各对第一和第二流场板之间包围每个MEA。根据还一实施例，一种连续产生多层燃料电池材料薄片的设备包括：配置为切割包括接合材料的第一薄片的第一切割站。第一切割站包括配置为在第一薄片内产生分隔开的第一窗口的第一切割机构。第-->一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点。第二切割站配置为切割包括接合材料的第二薄片。第二切割站包括配置为在第二薄片内产生分隔开的第二窗口的第二切割机构。第二窗口包括沿着第二窗口边缘设置的接合点。所述设备还包括配置为输送膜薄片的膜薄片输送机构。膜薄片包括燃料电池膜，所述燃料电池膜具有分别布置在膜薄片的第一和第二表面上的活性区。第一层叠站配置为在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内。第二层叠站配置为在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内。所述设备进一步包括第三层叠站，所述第三层叠站配置为在膜薄片第一表面的活性区上层叠第一FTL补片，从而，每个第一FTL补片与第一窗口的接合点接触。第四层叠站配置为在膜薄片第二表面的活性区上层叠第二FTL补片，从而，每个第二FTL补片与第二窗口的接合点接触。根据又一实施例，一种燃料电池组件包括：具有第一表面和第二表面的膜。第一和第二表面分别包括第一和第二活性区。第一接合层包括与膜的第一表面接触的第一表面并且包括与膜的第一活性区对齐的第一窗口。第一窗口包括与第一活性区接触的接合材料突出物。燃料电池组件的第二接合层具有与膜的第二表面接触的第一表面并且包括与膜的第二活性区对齐的第二窗口。第二窗口包括与第二活性区接触的接合材料突出物。在第一接合层的第二表面上布置第一垫圈层，并且，第一垫圈层包括与第一接合层的第一窗口对齐的第三窗口。在第二接合层的第二表面上布置第二垫圈层，并且，第二垫圈层包括与第二接合层的第二-->窗口对齐的第四窗口。所述燃料电池组件还包括与膜的第一表面接触的第一FTL，其中，第一FTL的边缘至少与第一窗口的接合材料突出物接触。第二FTL与膜的第二表面接触，从而，第二FTL的边缘至少与第二窗口的接合材料突出物接触。在第一和第二活性区中的一个上布置阳极催化剂，并且，在第一和第二活性区中的另一个上布置阴极催化剂。根据另一实施例，一种在一对流场板之间或在垫圈层之间并与之一起使用的燃料电池子组件包括：具有第一表面和第二表面的膜。第一和第二表面分别包括第一和第二活性区。第一接合层具有与膜的第一表面接触的第一表面并且包括与膜的第一活性区对齐的第一窗口。第一窗口包括与第一活性区接触的接合材料突出物。燃料电池子组件的第二接合层具有与本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种连续产生多层燃料电池材料薄片的方法，包括：在包括燃料电池膜的薄片的第一和第二表面上层叠第一和第二薄片，其中，所述第一和第二薄片每一个都包括接合材料并具有分隔开的窗口，膜薄片的第一和第二活性区位于各个接合材料窗口内；分别在 布置于膜薄片第一和第二表面上的接合材料上层叠第三和第四薄片，其中，所述第三和第四薄片每一个都包括垫圈材料并具有分隔开的窗口，接合材料的窗口与垫圈材料的各个窗口对齐，从而，至少一些接合材料在各个垫圈材料窗口内延伸；以及在膜薄片的第一和 第二活性区上分别层叠从包括ＦＴＬ材料的第五和第六薄片切割的流体输送层（ＦＴＬ）材料部分，其中，ＦＴＬ材料部分位于各个垫圈材料窗口内，并且与在各个垫圈材料窗口内延伸的接合材料接触。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2003-5-28 10/446,4851.一种连续产生多层燃料电池材料薄片的方法，包括：在包括燃料电池膜的薄片的第一和第二表面上层叠第一和第二薄片，其中，所述第一和第二薄片每一个都包括接合材料并具有分隔开的窗口，膜薄片的第一和第二活性区位于各个接合材料窗口内；分别在布置于膜薄片第一和第二表面上的接合材料上层叠第三和第四薄片，其中，所述第三和第四薄片每一个都包括垫圈材料并具有分隔开的窗口，接合材料的窗口与垫圈材料的各个窗口对齐，从而，至少一些接合材料在各个垫圈材料窗口内延伸；以及在膜薄片的第一和第二活性区上分别层叠从包括FTL材料的第五和第六薄片切割的流体输送层(FTL)材料部分，其中，FTL材料部分位于各个垫圈材料窗口内，并且与在各个垫圈材料窗口内延伸的接合材料接触。2.如权利要求1所述的方法，其中，所有层叠处理都包括旋转层叠处理。3.如权利要求1所述的方法，其中，至少一些层叠处理包括旋转层叠处理。4.如权利要求1所述的方法，其中，第五和第六FTL材料薄片中的一个包括阳极催化剂，而第五和第六FTL材料薄片中的另一个包括阴极催化剂。5.如权利要求1所述的方法，其中，膜薄片的第一和第二活性区中的一个包括阳极催化剂，而膜薄片的第一和第二活性区中的另一个包括阴极催化剂。6.如权利要求1所述的方法，进一步包括旋转切割第一和第二接-->合材料薄片，以产生分隔开的窗口。7.如权利要求1所述的方法，进一步包括旋转切割第三和第四垫圈材料薄片，以产生分隔开的窗口。8.如权利要求1所述的方法，其中，第三和第四垫圈材料薄片的窗口比第一和第二接合材料薄片的窗口更大。9.如权利要求1所述的方法，进一步包括旋转切割第五和第六FTL材料薄片，以产生FTL材料部分。10.如权利要求1所述的方法，其中，把FTL材料部分切割成基本等于膜薄片活性区尺寸的尺寸。11.如权利要求1所述的方法，进一步包括：当在膜薄片的第一和第二活性区上分别层叠FTL材料部分时，在真空下旋转移动FTL材料部分。12.如权利要求1所述的方法，进一步包括：当在膜薄片的第一和第二表面上层叠第一和第二接合材料薄片时，光学检测各个接合材料窗口相对于膜薄片第一和第二活性区的位置。13.如权利要求1所述的方法，进一步包括：当在布置于膜薄片第一和第二表面上的接合材料上层叠第三和第四垫圈材料薄片时，光学检测各个垫圈材料窗口相对于膜薄片第一和第二活性区的位置。14.如权利要求1所述的方法，进一步包括：当在膜薄片的第一和第二活性区上分别层叠FTL材料部分时，光学检测FTL材料部分相对于各个垫圈材料窗口和膜薄片第一和第二活性区中一个或两个的位置。-->15.如权利要求1所述的方法，在把第三和第四垫圈材料薄片层叠到布置于膜薄片第一和第二表面上的接合材料上之前，除去第一和第二接合材料薄片的衬垫，以使接合材料暴露。16.如权利要求1所述的方法，进一步包括把多层燃料电池材料薄片和衬垫缠绕成卷。17.如权利要求1所述的方法，进一步包括分离多层燃料电池材料薄片，以产生多个离散的燃料电池片。18.如权利要求1所述的方法，其中，基本同时地执行与膜薄片第一和第二表面有关的所有层叠处理。19.如权利要求1所述的方法，其中，基本同时地执行至少一些与膜薄片第一和第二表面有关的层叠处理。20.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用热和压力密封产生的燃料电池材料薄片。21.如权利要求1所述的方法，进一步包括使用热和压力旋转密封产生的燃料电池材料薄片。22.一种连续产生在一对流场板之间或在垫圈层之间并与之一起使用的多层燃料电池材料薄片的方法，包括：切割包括接合材料的第一薄片，在第一薄片中产生分隔开的第一窗口，第一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点；切割包括接合材料的第二薄片，在第二薄片中产生分隔开的第二窗口，第二窗口包括沿着第二窗口边缘设置的接合点；提供包括燃料电池膜的薄片，所述膜薄片具有分别布置在膜薄片-->的第一和第二表面上的活性区；在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内；在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内；以及在膜薄片第一和第二表面的活性区上分别层叠从包括FTL材料的第四和第五薄片切割的流体输送层(FTL)材料部分，其中，每个FTL材料部分分别与第一和第二窗口的接合点接触。23.如权利要求22所述的方法，其中，第一和第二接合材料薄片的第二表面分别包括脱模衬垫。24.如权利要求23所述的方法，进一步包括：在第一和第二接合材料薄片的各个第二表面上除去脱模衬垫；以及使流场板或垫圈层与第一和第二接合材料薄片的每个第二表面粘附啮合。25.如权利要求22所述的方法，其中，所有层叠处理都包括旋转层叠处理。26.如权利要求22所述的方法，其中，至少一些层叠处理包括旋转层叠处理。27.如权利要求22所述的方法，其中，所有切割处理都包括旋转层叠处理。28.如权利要求22所述的方法，其中，至少一些切割处理包括旋转层叠处理。-->29.如权利要求22所述的方法，其中，第四和第五FTL材料薄片中的一个包括阳极催化剂，而第四和第五FTL材料薄片中的另一个包括阴极催化剂。30.如权利要求22所述的方法，其中，第一和第二膜薄片表面中一个的活性区包括阳极催化剂，而第一和第二膜薄片表面中另一个的活性区包括阴极催化剂。31.如权利要求22所述的方法，进一步包括旋转切割第四和第五FTL材料薄片，以产生FTL材料部分。32.如权利要求22所述的方法，进一步包括：当在第一和第二膜薄片表面的活性区上层叠FTL材料部分时，在真空下旋转移动FTL材料部分。33.如权利要求22所述的方法，进一步包括：当在第一和第二膜薄片表面上层叠第一和第二接合材料薄片时，光学检测第一和第二接合材料窗口相对于第一和第二膜薄片表面的活性区的位置。34.如权利要求22所述的方法，进一步包括：当在第一和第二膜薄片表面的活性区上层叠FTL材料部分时，光学检测FTL材料部分相对于第一和第二膜薄片表面的活性区的位置。35.如权利要求22所述的方法，进一步包括把多层燃料电池材料薄片和衬垫缠绕成卷。36.如权利要求22所述的方法，进一步包括分离多层燃料电池材料薄片，以产生多个离散的燃料电池材料片。37.如权利要求22所述的方法，其中，基本同时地执行与膜薄片-->第一和第二表面有关的所有层叠处理。38.如权利要求22所述的方法，其中，基本同时地执行至少一些与膜薄片第一和第二表面有关的层叠处理。39.如权利要求22所述的方法，进一步包括使用热和压力密封产生的燃料电池材料薄片。40.如权利要求22所述的方法，进一步包括使用热和压力旋转密封产生的燃料电池材料薄片。41.一种连续产生多层燃料电池组件的方法，包括：对膜材料薄片、第一接合薄片以及包括流体输送层(FTL)材料的第一薄片进行处理，形成膜电极组件(MEA)薄片的第一表面；对膜材料薄片、第二接合薄片以及包括FTL材料的第二薄片进行处理，形成MEA薄片的第二表面；提供第一流场板；提供第二流场板；以及在各对第一和第二流场板之间包围MEA薄片的每一个MEA。42.如权利要求41所述的方法，其中：提供第一和第二流场板包括：提供包括第一流场板的第一薄片和包括第二流场板的第二薄片；以及所述方法进一步包括使第一和第二薄片与MEA薄片对准。43.如权利要求41所述的方法，其中，提供第一和第二流场板进一步包括：提供包括第一流场板的第一薄片；以及提供包括第二流场板的第二薄片。-->44.如权利要求41所述的方法，其中，提供第一和第二流场板进一步包括：模制聚合材料，以产生第一流场板；以及模制聚合材料，以产生第二流场板。45.如权利要求41所述的方法，其中，提供第一和第二流场板进一步包括：模制聚合材料，以产生第一流场板的第一薄片；以及模制聚合材料，以产生第二流场板的第二薄片。46.一种连续产生多层燃料电池组件的方法，包括：产生连续的膜电极组件(MEA)薄片，包括：提供包括接合材料的第一薄片，所述第一薄片具有分隔开的第一窗口，第一窗口包括沿着第一窗口边缘设置的接合点；提供包括接合材料的第二薄片，所述第二薄片具有分隔开的第二窗口，第二窗口包括沿着第二窗口边缘设置的接合点；提供包括燃料电池膜的薄片，所述膜薄片具有分别布置在膜薄片的第一和第二表面上的活性区；在膜薄片的第一表面上层叠第一接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第一表面的活性区位于第一窗口内；在膜薄片的第二表面上层叠第二接合材料薄片的第一表面，从而，膜薄片第二表面的活性区位于第二窗口内；在膜薄片第一和第二表面的活性区上分别层叠从包括FTL材料的第四和第五薄片切割的流体输送层(FTL)材料部分，其中，每个FTL材料部分分别与第一和第二窗口的接合点接触；提供第一流场板的连续薄片；提供第二流场板的连续薄片；以及在各对第一和第二流场板之间包围每个MEA。47.如权利要求46所述的方法，进一步包括：使第一和第二流场-->板的每一个薄片都与MEA薄片对准。48.如权利要求46所述的方法，其中，提供第一和第二流场板的连续薄片包括：与产生MEA基本同时地模制材料，以形成第一和第二流场板的连续薄片。49.如权利要求48所述的方法，其中，所述材料包括碳/聚合物复合材料。50.如权利要求46所述的方法，其中，提供第一和第二流场板的连续薄片包括：模制材料，形成在第一流场板的相邻板之间以及在第二流场板的相邻板之间的互锁布置。51.如权利要求46所述的方法，其中，提供第一和第二流场板的连续薄片包括：模制材料，形成在第一流场板的相邻板之间以及在第二流场板的相邻板之间的活动铰链。52.如权利要求46所述的方法，其中，提供第一和第二流场板的连续薄片包括：模制材料，沿着第一流场板的相对...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维R麦卡拉，唐纳德G彼得森，丹尼斯E弗格森，杜安D范斯勒，
申请(专利权)人：三M创新有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]